CN106382864B - 一种活性含能复合药型罩聚能装药结构 - Google Patents

一种活性含能复合药型罩聚能装药结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，包括壳体、装药、缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩，均为轴对称结构，其中壳体为圆台与圆筒的组合结构，圆台结构将圆筒结构的一端密封，装药装填在圆台与圆筒的组合结构中，且圆筒结构的另一端依次设置缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩，且缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩将装药密封在壳体内，所述缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩均为球缺形状，球缺的锥角为10°～175°，该聚能装药结构除了具有穿孔作用外，还具有类爆轰功效，其对弹药的引爆能力，对燃油的引燃能力，对人员的烧伤、窒息作用和对目标的横向破坏效应远远超过惰性药型罩。

Description

一种活性含能复合药型罩聚能装药结构
技术领域
本发明属于弹药工程技术领域，特别是涉及一种活性含能复合药型罩聚能装药结构。
背景技术
探索具有高效毁伤的弹药是常规弹药领域的重要发展方向，对未来战场面临的油罐、油船、装甲车辆等目标，传统装药战斗部存在着对油料难以可靠引燃、对弹药难以可靠引爆、对装甲车辆毁伤能力偏低等问题，如何实现对这些目标的高效毁伤，是弹药行业需要迫切解决的难题。传统战斗部在打击坦克、装甲等目标时主要靠穿甲作用，毁伤效应单一，毁伤能力偏低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，与传统金属药型罩相比，该聚能装药结构除了具有穿孔作用外，还具有类爆轰功效，其对弹药的引爆能力，对燃油的引燃能力，对人员的烧伤、窒息作用和对目标的横向破坏效应远远超过惰性药型罩。经过数值计算和地面试验考核，对目标的综合毁伤能力均达到预期目的。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，包括壳体、装药、缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩，其中壳体为圆台与圆筒的组合结构，圆台结构将圆筒结构的一端密封，装药装填在圆台与圆筒的组合结构中，且圆筒结构的另一端依次设置缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩，且缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩将装药密封在壳体内，所述缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩均为球缺形状，球缺的锥角为10°～175°，所述壳体、装药、缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩均为轴对称结构。
在上述活性含能复合药型罩聚能装药结构中，缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩球缺的锥角为30°～160°。
在上述活性含能复合药型罩聚能装药结构中，所述缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩的罩厚度为装药最大直径的0.01～0.1倍；优选0.02～0.05倍。
在上述活性含能复合药型罩聚能装药结构中，所述缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩相邻两层彼此紧密接触。
在上述活性含能复合药型罩聚能装药结构中，所述壳体的底部厚度为装药最大直径的0.01～0.15倍；优选0.03～0.08倍。
在上述活性含能复合药型罩聚能装药结构中，所述壳体的材料为钢或铝，所述缓冲药型罩和侵彻药型罩的材料为铜或铝。
在上述活性含能复合药型罩聚能装药结构中，所述活性含能药型罩的材料为铝粉和聚四氟乙烯粉末压制烧结混合物，其中铝粉的质量百分比含量为10％～50％，聚四氟乙烯粉末的质量百分比含量为50％～90％。
在上述活性含能复合药型罩聚能装药结构中，所述缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩的环形边缘通过螺钉与壳体内壁面连接固定，或者通过粘接方式与壳体内壁面连接固定。
在上述活性含能复合药型罩聚能装药结构中，装药起爆后，缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩形成高速飞行的包覆式EFP，即缓冲药型罩和侵彻药型罩形成的EFP包覆活性含能药型罩。
在上述活性含能复合药型罩聚能装药结构中，所述缓冲药型罩吸收爆轰波能量，避免活性含能药型罩破碎或过早发生反应，对活性含能药型罩起保护作用；所述活性含能药型罩深入目标后发生化学反应，释放化学能，引燃燃油、引爆弹药，提高对目标的横向破坏效应；所述侵彻药型罩对目标进行侵彻，并对活性含能药型罩起保护作用。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明对聚能装药结构进行了创新设计，装药结构包括缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩，与传统金属药型罩相比，该活性含能复合药型罩除了具有穿孔作用外，还具有类爆轰功效，其对弹药的引爆能力，对燃油的引燃能力，对人员的烧伤、窒息作用和对目标的横向破坏效应远远超过惰性药型罩，经过数值计算和地面试验考核，对目标的综合毁伤能力均达到预期目的；
(2)、本发明装药结构中设置缓冲药型罩，可吸收爆轰波能量，避免药型罩极易破碎或过早发生反应，对活性含能药型罩起保护作用；
(3)、本发明装药结构中设置活性含能药型罩，可吸收爆轰波能量，深入目标后可发生化学反应，释放化学能，可引燃燃油、引爆弹药；
(4)、本发明装药结构中设置侵彻药型罩，密度和声速较高，对目标侵彻能力较强，还能对活性含能药型罩起保护作用；
(5)、本发明通过对聚能装药结构各组成部分，尤其是缓冲药型罩、活性含能药型罩和侵彻药型罩的结构形式、形状、比例尺寸及材料等的优化设计，进一步增强了聚能装药结构对目标的侵彻能力；
(6)、本发明聚能装药结构的壳体设计为圆台+圆筒的结构，经过优化设计，使得装药结构在减少装药量的同时，不降低侵彻效果；
本发明回收装置经过地面试验考核，对目标的毁伤效果达到预期目的。
附图说明
图1为本发明装药装置三维剖视图；
图2为本发明装药装置纵向剖面图；
图3为本发明钢锭被贯穿的计算结果图；
图4为本发明钢锭被贯穿的实验结果图；
图5为本发明对柴油的引燃试验结果图；
图6为本发明对油罐等效靶标的纵火效果图；
图7为本发明对油罐等效靶标的毁伤试验结果图，其中图7a为双层钢架，图7b为油箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明装药装置结构示意图；图2为本发明装药装置纵向剖面图，由图可知本发明装药结构包括壳体1、装药2、缓冲药型罩3、活性含能药型罩4和侵彻药型罩5，其中壳体1为圆台与圆筒的组合结构，圆台结构将圆筒结构的一端密封，装药2装填在圆台与圆筒的组合结构中，且圆筒结构的另一端依次设置缓冲药型罩3、活性含能药型罩4和侵彻药型罩5，且缓冲药型罩3、活性含能药型罩4和侵彻药型罩5将装药2密封在壳体1内，所述缓冲药型罩3、活性含能药型罩4和侵彻药型罩5均为球缺形状，球缺的锥角为10°～175°，优选30°～160°。所述壳体1、装药2、缓冲药型罩3、活性含能药型罩4和侵彻药型罩5均为轴对称结构。
缓冲药型罩3、活性含能药型罩4和侵彻药型罩5的罩厚度为装药最大直径的0.01～0.1倍；优选0.02～0.05倍。缓冲药型罩3、活性含能药型罩4和侵彻药型罩5的厚度可以相同或不同。
缓冲药型罩3、活性含能药型罩4和侵彻药型罩5相邻两层彼此紧密接触。
壳体1的底部厚度为装药最大直径的0.01～0.15倍；优选0.03～0.08倍。壳体1的材料可为钢或铝，缓冲药型罩3和侵彻药型罩5的材料可为铜或铝，活性含能药型罩4的材料为铝粉和聚四氟乙烯粉末压制烧结混合物，其中铝粉的质量百分比含量为10％～50％，聚四氟乙烯粉末的质量百分比含量为50％～90％。本发明实施例中采用的配方为铝粉质量占26％，聚四氟乙烯粉末质量占74％。
缓冲药型罩3、活性含能药型罩4和侵彻药型罩5的环形边缘通过螺钉与壳体1内壁面连接固定，或者通过粘接方式与壳体1内壁面连接固定。
装药起爆后，缓冲药型罩3、活性含能药型罩4和侵彻药型罩5形成高速飞行的包覆式EFP，即缓冲药型罩3和侵彻药型罩5形成的EFP包覆活性含能药型罩4。
缓冲药型罩3可吸收爆轰波能量，避免药型罩极易破碎或过早发生反应，对活性含能药型罩起保护作用；所述活性含能药型罩4可吸收爆轰波能量，深入目标后可发生化学反应，释放化学能，可引燃燃油、引爆弹药；所述侵彻药型罩5密度和声速较高，对目标侵彻能力较强，还能对活性含能药型罩起保护作用。
本发明装药结构的作用过程如下：
装药起爆后，药型罩在高温高压的***产物作用下，形成高速飞行的包覆式EFP，EFP内包裹着活性含能材料，头部为侵彻能力较强的EFP，EFP穿透目标后，活性材料反应释放化学能，对目标具有动能、冲击超压、高温纵火、窒息等复合毁伤打击能力。
实施例1
下面介绍一种活性含能复合药型罩聚能装药结构对钢锭、油罐等效靶的计算和实验结果。本实施例中缓冲药型罩3、活性含能药型罩4和侵彻药型罩5球缺的锥角为130°，缓冲药型罩3、活性含能药型罩4和侵彻药型罩5的罩厚度为装药最大直径的0.03倍。活性含能药型罩4的组成为铝粉质量占26％，聚四氟乙烯粉末质量占74％。壳体1的材料可为钢，缓冲药型罩3和侵彻药型罩5的材料为铜。
1对钢锭的计算和实验结果
应用有限差分程序AUTODYN中的二维轴对称计算模型对活性聚能装药***、缓冲材料包覆活性材料形成侵彻体以及对钢锭的侵彻作用过程进行模拟。在计算模型中***、三种药形罩和装药壳体等采用多物质EULER算法，钢锭采用拉格朗日算法，它们之间的相互作用通过流固耦合算法来模拟。计算模型中不考虑活性材料的反应。
***的爆轰及能量释放过程用JWL状态方程来描述：
式中：E为单位质量内能；V为比容；A、B、R1、R2、ω为常数。
空气密度为1.225kg/m3，采用理想气体状态方程，γ＝1.4。设定空气中初始压力为1个大气压。
***作用下结构动态响应涉及大变形和高应变率，在本文中，外壳、靶板、药形罩采用Johnson-Cook强度模型，动态屈服应力可表示为：
其中，A为材料静态屈服极限，B、n为应***化参数，C为与应变率相关的参数，εp为等效塑性应变，为归一化的等效塑性应变率，m为温度软化参数，若室温为TRoom，熔点温度为TMelt，则相对温度TH的定义为：
TH＝(T-TRoom)/(TMelt-TRoom) (3)
外壳、钢锭、药形罩的状态方程为Linear：
P＝Ku (4)
这里，u＝ρ/ρ0-1，K是材料的体积模量。
聚能装药子弹***后药型罩翻转形成***成形弹丸类侵彻体，与射流形成过程相比，***成形弹丸形成时内部压力相对要低，有利于保持活性材料的钝感特性。侵彻体对45mm厚的45#钢锭的侵彻计算结果如图3所示，在炸高150mm下钢锭被以剪切冲塞方式穿透：
开孔入口直径φ29mm，出口直径φ38mm，中间最小直径φ22mm。侵彻体着靶前最大速度为1310m/s，穿靶后剩余速度为350m/s，尚具有一定的穿透能力。
试验布置从上到下依次为：活性子弹、纸筒、45#钢锭、空心支撑结构。纸筒用于确定炸高，两种方案下炸高均为150mm。钢锭厚度45mm，直径φ180mm，钢锭下面的空心支撑结构内放置蘸柴油的抹布。
钢锭开孔试验结果与数值计算结果较为接近：钢锭被完全贯穿，入口有翻边，出口则出现较为明显的崩落现象。入口直径φ33mm，出口直径φ37mm，中间最小直径φ20mm。由图4可见，钢锭入口孔型对称性较好，这说明撞靶前活性侵彻体形状完整，缓冲材料对活性药型罩起到了很好的保护作用。钢锭正面均有放射状烧蚀痕迹，说明撞靶瞬间活性材料受高温高压作用开始反应释放能量。孔壁周围被熏黑，这是侵彻过程中活性材料继续发生放热反应对孔壁烧蚀造成的。图5是对靶后柴油的引燃结果，活性材料反应后释放大量化学能，生成高温产物将钢锭后蘸柴油的抹布引燃。2对油罐等效靶的计算和实验结果
以充柴油的双盘浮顶油罐作为攻击目标，并根据目标特性用如下结构进行等效：壁厚5mm的Q235钢质柴油箱上放置两块间隔500mm的5mm厚Q235钢板。
数值计算结果如下：聚能装药装药***后药型罩翻转形成***成形弹丸，弹丸最大速度为1310m/s。第一和第二块Q235钢板开孔直径分别为φ35.6mm、φ27.2mm，油箱顶部钢板开孔直径为φ26.6mm，侵彻体穿过油箱顶部钢板后剩余速度为730m/s，尚具有一定的侵彻能力。
在验场地布置上，油箱用5mm厚Q235钢板焊接而成，长宽高均为200mm，油箱顶部开有注油孔，柴油由油箱顶部的注油孔注入，灌至80％满。油箱上面放置双层钢架，钢架上下为两块间隔500mm的5mm厚Q235钢板。钢架四角用四根钢筋和螺母固连，方便更换钢板。战斗部放置在钢架上，试验炸高为35mm，由纸筒高度确定。
试验结果如图7所示：***形成的侵彻体先后穿透三层5mm厚钢板，然后侵入柴油中。钢架上层Q235钢板中心呈花瓣状破裂，开孔口径为φ45mm；下层Q235钢板开口口径为40mm×35mm，开孔向下轻微凹陷，周边无裂纹，钢板开孔四周有多个小坑，这是侵彻体少部分破碎后形成的多块横向飞散破片侵彻而成；盛柴油的油箱顶部钢板开口口径为φ35mm，底部钢板上有侵彻体撞击造成的凹坑。由于计算模型不考虑活性材料的反应，导致数值计算结果远小于试验开孔口径，这也充分说明活性材料在撞击间隔靶时就已经开始发生反应，侵彻体膨胀直径增大，在钢板上的穿孔也相应扩大。
***形成的高速侵彻体侵入柴油后，柴油快速向周围排开，活性材料继续反应，释放大量化学能，使柴油大量气化和雾化，与内部空气混合达到***极限而发生***，导致油箱受到鼓胀作用后严重变形，从焊接部位撕裂开来，结构解体成五块钢板，油箱底部钢板由于残余侵彻体的撞击出现凹坑。活性材料和柴油飞溅到房间各个角落，柴油进一步雾化，并与外界空气充分混合后在地面和墙壁上燃起了持续时间很长的熊熊大火。如图6所示为本发明对油罐等效靶标的纵火效果图。
本发明经过数值计算和地面试验考核，对坚固目标的开孔能力和对燃油的引燃能力均达到预期目的。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，其特征在于：包括壳体(1)、装药(2)、缓冲药型罩(3)、活性含能药型罩(4)和侵彻药型罩(5)，其中壳体(1)为圆台与圆筒的组合结构，圆台结构将圆筒结构的一端密封，装药(2)装填在圆台与圆筒的组合结构中，且圆筒结构的另一端依次设置缓冲药型罩(3)、活性含能药型罩(4)和侵彻药型罩(5)，且缓冲药型罩(3)、活性含能药型罩(4)和侵彻药型罩(5)将装药(2)密封在壳体(1)内，所述缓冲药型罩(3)、活性含能药型罩(4)和侵彻药型罩(5)均为球缺形状，球缺的锥角为10°～175°，所述壳体(1)、装药(2)、缓冲药型罩(3)、活性含能药型罩(4)和侵彻药型罩(5)均为轴对称结构；
装药起爆后，缓冲药型罩(3)、活性含能药型罩(4)和侵彻药型罩(5)形成高速飞行的包覆式EFP，即缓冲药型罩(3)和侵彻药型罩(5)形成的EFP包覆活性含能药型罩(4)。
2.根据权利要求1所述的一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述缓冲药型罩(3)、活性含能药型罩(4)和侵彻药型罩(5)球缺的锥角为30°～160°。
3.根据权利要求1所述的一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述缓冲药型罩(3)、活性含能药型罩(4)和侵彻药型罩(5)的罩厚度为装药最大直径的0.01～0.1倍。
4.根据权利要求3所述的一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述缓冲药型罩(3)、活性含能药型罩(4)和侵彻药型罩(5)的罩厚度为装药最大直径的0.02～0.05倍。
5.根据权利要求1所述的一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述缓冲药型罩(3)、活性含能药型罩(4)和侵彻药型罩(5)相邻两层彼此紧密接触。
6.根据权利要求1所述的一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述壳体(1)的底部厚度为装药最大直径的0.01～0.15倍。
7.根据权利要求6所述的一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述壳体(1)的底部厚度为装药最大直径的0.03～0.08倍。
8.根据权利要求1所述的一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述壳体(1)的材料为钢或铝，所述缓冲药型罩(3)和侵彻药型罩(5)的材料为铜或铝。
9.根据权利要求1或8所述的一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述活性含能药型罩(4)的材料为铝粉和聚四氟乙烯粉末压制烧结混合物，其中铝粉的质量百分比含量为10％～50％，聚四氟乙烯粉末的质量百分比含量为50％～90％。
10.根据权利要求1所述的一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述缓冲药型罩(3)、活性含能药型罩(4)和侵彻药型罩(5)的环形边缘通过螺钉与壳体(1)内壁面连接固定，或者通过粘接方式与壳体(1)内壁面连接固定。
11.根据权利要求1所述的一种活性含能复合药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述缓冲药型罩(3)吸收爆轰波能量，避免活性含能药型罩(4)破碎或过早发生反应，对活性含能药型罩(4)起保护作用；所述活性含能药型罩(4)深入目标后发生化学反应，释放化学能，引燃燃油、引爆弹药，提高对目标的横向破坏效应；所述侵彻药型罩(5)对目标进行侵彻，并对活性含能药型罩起保护作用。
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